su - toprak kaynakli isi pompalari -...

_____________________________________ 1 _______ VI. ULUSAL TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ

SU - TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARI

Veli DOĞAN ÖZET Bilindiği gibi tüm yeni ısıtma ve soğutma sistemlerinin çeşitlilik göstermesi birkaç ana nedene dayanır. Bunlardan en önemlisi ; istenilen konfor şartlarını en iyi şekilde sağlayan sistemi kurmaktır. Diğer önemli nedenler ise en az enerji tüketen, kuruluş maliyeti düşük olan, çevre dostu olan daha az yer işgal eden sistemleri yaratma fikridir. Enerji talebi ve buna bağlı olarak enerji fiyatlarındaki artış ısı geri kazanım ve ısı pompalarının kullanımını yaygınlaştırmıştır. Isı pompaları özellikle kullandıkları enerji kaynaklarına göre çeşitlilik göstermektedirler. Bu yazıda su kaynaklı ısı pompalarının çalışma prensipleri ile yer (toprak) kaynaklı ısının bu sistemlere nasıl aktarıldığı özetlenecektir. Ayrıca Ankara şartlarında ele alınan bir konutun tüm yıl boyunca ısıtma ve soğutma yük profili çıkartılıp yıllık enerji tüketimi “Bin” metoduna göre tahmin edilmeye çalışılacaktır. GİRİŞ Konfor amaçlı kullanılan ısı pompaları, yazın gerekli soğutmayı, kışın ise gerekli ısıtmayı sağlayacak şekilde dizayn edilirler. Isı pompaları kışın dış ortamdaki düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından, yüksek sıcaklıktaki iç ortama ısı pompalarlar. Yazın iç ortamdaki ısıyı tam tersine dış ortama atarlar. Burada dış ortam denildiğinde dünyayı saran hava ile toprak, göl ve benzeri yer üstü suları ile yer altı suları kastedilmektedir. Yaygın olarak kullanılan split klimalar dış havayı kışın ısıtmada enerji kaynağı olarak kullanırlar.Yazın ise içeride biriken ve konforu bozan ısıyı yine bu cihazlar daha sıcak olan dış ortama pompalarlar. En önemli nokta, ısı pompalarının verimleri enerji pompaladıkları dış ortam sıcaklığına bağlı olarak büyük değişim gösterir. İnsanların yaz ve kış aylarında istemiş olduğu konfor şartı çok değişmez 24 ºC ‘nin bir iki derece altında veya üzerindedir. Kışın çok ısıya ihtiyacımız olduğunda dış hava sıcaklığı en düşük seviyelere iner .Yazın ise tam tersi içerden dışarı ısı atmak isteriz, bu sefer dış hava sıcaklığı en yüksek seviyelere çıkmaya başlar. Yani her iki durumda da iç ortam ile dış ortam arasındaki sıcaklık farkı büyük değerlere ulaşır, bu da ısı pompaları için düşük verim demektir. Hava sıcaklığı tüm yıl boyunca diğer doğal ortamlara göre çok büyük değişim gösterir, diğer bahsi geçen toprak, yer altı ve yer üstü sularının sıcaklığı havaya göre daha az dalgalanırlar. O halde amaç havaya göre daha verimli olan bu sistemleri geliştirmek ve enerji tasarrufuna yardımcı olmak için bu sistemlerin kullanımını ülkemizde yaygınlaştırmaktır. 1. U KAYNAKLI ISI POMPALARI Havadan havaya ısı pompalayan, hava kaynaklı ısı pompalarını bir tarafa bırakacak olursak, diğer yer kaynaklı ısı pompalarının çoğunluğu, sudan havaya veya sudan suya ısı pompalayan, su kaynaklı ısı pompasıdır. Toprak kaynaklı ısı pompalarına geçmeden önce su-hava kaynaklı ısı pompalarının yaygın kullanım nedenini ve basit olarak çalışma prensibini özetleyelim. Su kaynaklı ısı pompası sisteminde her cihaz, bir hava soğutucu evaporatör, evaporatör fanı, su soğutmalı kondenser ve pano


içerir. Cihaz bulunduğu ortamın isteğine göre, soğutma yaptığında kondenser hattı suyu ısıtır, ortamı ısıtmaya çalıştığında ise, ısı pompası gaz çevrimi değişir ve kondenser hattı suyu soğutur. Bu cihazlar tekli üniteler halinde kullanıldığı gibi yapının büyüklüğüne ve amaca göre aynı su devresine bağlanmış çoklu üniteler şeklinde de kullanılırlar. Şekil 1-a da soğutma yapan bir ünite görülmektedir, ısı pompası, boru devresinden 25ºC de su almakta ve bu suyu 30ºC ye yükselerek boru devresine geri vermektedir. Havadan çekmiş olduğu ısıyı su devresine aktarmaktadır. Şekil 1-b de ısıtma konumunda çalışmaktadır; ısı pompası konfor havasını ısıtmak için su devresinden ısı çekmektedir. 25ºC de gelen su ana boru devresine 20ºC geri dönmektedir.

Şekil 1-A. Soğutma konumu

Şekil 1-B. Isıtma konumu


Şekil 2-a,b,c de görüleceği gibi binanın konfor istenen muhtelif bölümlerine ısı pompaları yerleştirilmektedir. Bu cihazlar bulundukları ortama göre ısıtma veya soğutma yapabilmektedir. Şekil 2-a da tüm cihazlar soğutma yapmakta ve boru devresine ısı pompalamaktadır.Boru devresinde yükselen ısı kule vasıtası ile sistemden atılmaktadır. Şekil 2-b de ise tüm cihazlar ısıtma yapmaktadır, boru devresinden cihazların tamamı ısı almaktadır, soğuyan su ise bir kazan ile takviye edilmektedir. Şekil 2-c de ise binayı çevreleyen bir kısım cihazlar ısıtma yaparken iç zonlardaki cihazlar soğutma yapmaktadır. Bu durumda soğutma yapan cihazların su devresine attıkları ısı, ısıtma yapan cihazlar tarafından alınmakta, kazan ve kuleye zaman zaman gerek kalmamaktadır.

Şekil 2-A. Su kaynaklı ısı pompası (Sadece soğutma)

Şekil 2-B. Su kaynaklı ısı pompası (Sadece ısıtma)

Şekil 2-C. Su Kaynaklı ısı pompası (Sadece ısıtma + soğutma)


Bu sistemlerin avantajlarını özetleyecek olursak: - Her mekanda bağımsız sıcaklık kontrolü, farklı odalarda aynı anda soğutma ve ısıtma imkanı. - Dış hava sıcaklığına minimum bağımlılık. - Sadece istenilen bir odada ısıtma ve soğutma imkanı. - Diğer bilinen sistemlerle kıyaslanmayacak kadar yüksek verim ve düşük işletme gideri. - Küçük makine dairesi, daha küçük kesitte kanal dağılımı. - Basit dizayn ve kolay otomasyon. - Arıza durumunda sadece bir cihaz arıza yaptığı için diğer tüm üniteler çalışmaya devam eder. - Uzun ömürlü sitem kurulabilir, bakım giderleri düşüktür. - Bina tadilatlarında yeni ilave cihaz kolaylığı ve yeni mimariye en kolay adaptasyon.

2. ANA FİKİR Bahsi geçen örnekteki (şekil 2 a,b,c) su kaynaklı ısı pompasında kule devresi ısı atılan ortamı kazan ise ısı kaynağını oluşturmaktadır. Bu her iki kaynak yerine, toprak, göl ve benzeri yer üstü suları ile yer altı sularını kullanma fikri, tüm “Yer Kaynaklı Isı Pompalarının” gelişmesi ve yaygın olarak kullanılmasını sağlamıştır (Şekil 3 a-b)

Şekil 3-A. Su kaynaklı ısı pompası Şekil 3-B. Yer kaynaklı ısı pompası 3. YER (TOPRAK) KAYNAKLIISI POMPALARI TİPLERİ (TKIP): -Yüzey Suyu Isı Pompaları (YSIP) -Yer Altı Suyu Isı pompaları (YASIP) -Toprak Serpantinli Isı Pompaları (TSIP)


3.1. Yüzey Suyu Isı Pompaları (göl, ırmak ve deniz) (YSIP): Bir m3 suyun sıcaklığını 1ºC düşürerek çekilen enerji bir m3 havanın sıcaklığını 1ºC düşürerek çekilecek enerjiden 3000 defa daha fazladır, havanın yoğunluğu düşük ise 4000 katına varan bir üstünlüğe sahiptir. Bu ısı pompaları kapalı ve açık devre olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Kış aylarında buharlaştırıcıdaki sıcaklık düşmesi, buzlanmanın önlenmesi için kontrol altında tutulmalıdır. Yüzey suyu ısı pompaları açık ve kapalı devre olmak üzere iki gruba ayrılırlar. 3.1.1. Açık Devre Yüzey Suyu Isı Pompaları: Göl, deniz veya ırmaklardan alınan su, çok temiz ve ısı pompasının kondenserinde korozyon için gerekli tedbirler alınmış ise su doğrudan su- su veya su –hava için dizayn edilen kondenserlere pompalanırlar. Daha çok ısı pompaları ile açık su devresi arasında ısı değiştirgeci kullanımı yaygındır. Şekil 4 de Antalya’da bir otel de uygulamış olduğumuz denizin ısı atılan ve ısı emilen ortam olarak kullanıldığı sistem tarif edilmiştir. Bir adet iki kondenserli su soğutmalı soğutma grubu kullanılmıştır. Soğutma grubunun kondenser devresi soğutma kulesi yerine plaka tipi (bir yüzeyi titanyum kaplı ) ısı eşanjörüne bağlanmıştır. Evaporatör devresine kış aylarında ısı pompası devresinde kullanılmak üzere ayrı bir plaka tipi ısı eşanjörü konulmuştur. Evaporatör ve kondenser devrelerine birer adet üç yollu vana eklenmiştir. Deniz suyu birisi yedek olmak üzere iki adet bronz fanlı pompa ile pompalanmaktadır. Isı geri kazanım kondenseri bir eşanjör vasıtası ile sıcak su depolama tankına ısı aktarmaktadır. Sistemde yaz ve kış devrelerini ayırtan vanalar gerekli kapalı genleşme tankları mevcuttur. Yaz aylarında binadan çekilen ısı öncelikle sıcak kullanım suyu hazırlamakta kullanılmakta daha sonra fazla gelen ısı deniz suyuna pompalanmaktadır. Soğuk su üretimi : 6 ºC Antalya şartları kule devresi : 34 / 39ºC Deniz suyu kullanımı durumunda kondenser devresi şartı : 28 / 33ºC Isı geri kazanım devresi şartları : 45 / 50ºC Kondenser su rejimi giriş/çıkış

ºC Soğutma grubunun çektiği

elektrik gücü (kWe) Soğutma grubunun soğutma

kapasitesi (kWs)

28/33 135,02 654,6 34/39 155,42 633,2 45/50 200,7 571,0


Şekil 4. Isı Geri Kazanımlı Soğutma Grubu ile Deniz Suyundan Isı Pompası

Yaz çalışması: Evaporatör pompaları [P2] ve kondens pompaları [P5] normal çalışmasına devam etmektedir. Kış vanaları [K] kapalıdır. Sıcak su depolama tankında su sıcaklığı istenilen değerin altına düştüğünde ısı geri kazanım pompası [P3] ve sıcak su depolama pompası [P4] devreye girmektedir. Bu pompalar devreye girdiğinde kondenser devresindeki üç yollu vana [V1] oransal olarak kapanmakta ve ısı geri kazanım kondenserinden çıkan suyun sıcaklığı 50 ºC ye kadar yükselmektedir. Sıcak su depolama tanklarında (45 ˚C sıcak su depolanmaktadır.) ısı ihtiyacı azalmaya başladığında kondenser devresindeki üç yollu vana [V1] oransal olarak tekrar açılmaktadır ve fazla ısı deniz suyuna atılmaktadır. Yaz enerji kazanımı : Isı atılan ortam olarak havaya göre çok soğuk olan deniz suyu kullanıldığı için soğutma grubu daha az enerji harcamıştır, % 16’ lık bir tasarruf sağlanmıştır. Beş aylık tasarruf 45733 kWe.h dır. Saate 663662 (kcal/h) ısı kullanım için boylerlere aktarılmıştır, Bunun fuel-oil karşılığı= 663662(kcal/h) / 9700(kcal/kg) / 0.80(verim)=85.52 kg/h dir. Bu ısı aktarımında fazladan saatte 88.28 (kW ) elektrik tükenmiştir. (P2, P3, pompaları ile cihazın yüksek kondenzasyonda çalışması bu tüketimi getirmiştir) Sonuç olarak, otel yazın beş aylık enerji giderlerinde, ısı geri kazanım sisteminin kullanılmasıyla, fuel-oil sistemine nazaran % 75’ lik bir tasarruf sağlanmıştır. Kış çalışması: Soğutma grubu 45/50 ºC kondenzasyon şartlarında çalışacak ve ısı geri kazanım kondenserinden hem binayı ısıtmak için hem de sıcak kullanım suyu hazırlamak için ısı pompalanacaktır. Evaporatör pompası [P2] normal çalışmasına devam etmektedir. Kış vanaları [K] açık, yaz vanaları [Y] kapalıdır. Soğutma grubu 6 ºC de su üretmekte ve bu suyu deniz suyu eşanjörüne göndermektedir. Bu eşanjörde suyun sıcaklığı 10 ºC ‘ye kadar yükselmekte ve evaporatöre geri dönmektedir. Deniz suyu pompası [P1] ile 15 ºC de deniz suyu, eşanjöre girmekte ve eşanjörü 11 ºC de terk etmektedir. Soğutma grubu kondenser devresi tamamen kapalıdır. Isı geri


kazanım pompaları [P3] devrede olup ısı geri kazanım kondenserinden alınan ısı doğrudan ısıtma gidiş kolektörüne aktarılmaktadır. 45 ºC ’e sıcak su fan-coil ve klima santralarında dolaştırılmaktadır. Fan-coiller ve klima santralarının serpantinleri bu sıcaklığa göre dizayn edilmiştir. Kış enerji kazanımı Yine binaya saate 663662(kcal/h) enerji pompalanmıştır, bu enerjinin klasik sistem kullanılmış olsaydı fuel-oil karşılığı 85.52 kg/h dır. Toplam bir saatlik elektrik tüketimi 233.7 (kW) olmuştur. Elektrik ve fuel-oil fiyatları dikkate alındığında, fuel-oil ile yapılan ısıtma sistemine göre %34 daha az enerji parası ödenecektir. 3.1.2. Kapalı Devre Yüzey Suyu Isı Pompaları : Yine bina içerisine yerleştirilmiş olan ısı pompalarına (su-su veya su-hava olabilir) bağlanmış olan, göl, deniz, nehir veya atmosfere açık bir su birikintisi içerisine yerleştirilen boru devresini içerir (şekil 5). Kışın donma risklerine karşın boru devresinde enerji taşıyan suya antifriz ilave edilir. Boru devresi genelde ultroviole radyasyon tiplerine karşı korumalı yüksek yoğunluktaki polyethylendir. Çoğunlukla 20 mm ila 25 mm çapında borular kullanılır ancak basınç kayıplarını azaltmak için 40 mm ye kadar borular kullanılmaktadır. Genelde bu sistemlerin avantajı toprak kaynaklı ısı pompalarına göre düşük maliyet, düşük pompalama maliyeti, yüksek güvenirlik, ucuz bakım ve işletme gideri. Dezavantaj olarak halka açık yerlerde borular zarar görebilir, toprak kaynaklı ısı pompası veya yer altı suyu ısı pompalarına göre yaz ve kışın dış ortama göre sıcaklıkları daha fazla değişim gösterir.

Şekil 5. Kapalı devre yüzey suyu ısı pompası sistemi


3.2. Yer Altı Suyu Isı Pompaları (YASIP): Toprak kaynaklı ısı pompalarının gelişmesine kadar yaygın olarak kullanılmıştır. Çok küçük araziden yeteri kadar kuyu suyu pompalama fikri yaygın olarak kullanım getirmiştir. Tek yüksek hacimli kuyu, tüm bir bina için kullanılır. İyi tasarlanmış bir sistem yaygın kullanılan klasik sistemlerden daha fazla bakım istemez. Yer altı suyunun alınıp tekrar toprağa veya diğer göl ırmak gibi ortamlara pompalanması ile sistem çeşitlilik gösterir. Küçük sistemlerde yeraltı suları doğrudan ısı pompasının serpantininde sirküle ettirilir. Büyük ve çoklu ünitelerin kullanıldığı sistemlerde ısı pompaları ayrı bir kapalı devre oluşturur, yer altı suyu dolaştıran açık devreden bir ısı eşanjörü il ayrılır (Şekil 6). Yer altı sularına kuyulardan emip ısıtma veya soğutma işleminde kullandıktan sonra başka bir ortama atmaya her zaman yerel belediyeler müsaade etmez. Zaten artan kullanım suyu talebi bu tür sistemleri kurmayı imkansız hale getirmiştir. Ancak emilen yer altı suyu işlemden sonra şekil 6’ da görüldüğü gibi tekrar yer altına verilebilir. Emiş kuyusundan yeterli mesafede uzağa tekrar pompalanan su yer altında hareket ederek ilk emiş kuyusuna ulaşacaktır, bu esnada, kat ettiği yol boyunca toprağın enerjisini ilk kuyuya taşıyacaktır, veya tersi işlemle soğutma sezonunda toprağa ısı atacaktır. Yer altı suyu ısı pompaları toprak serpantinli ısı pompalarına göre daha yüksek verimli ve daha düşük maliyetlidirler.

Şekil 6. Yeraltı yüzey suyu ısı pompası


3.3. Toprak Serpantinli Isı Pompaları (TSIP): Yatay veya düşey olarak toprak içine gömülmüş kapalı bir boru demetine (ısı değiştirici) bağlanmış ısı pompası veya pompalarından oluşur. Bu ısı pompaları su-hava veya su-su ısı pompaları olabilir. Şekil 3-b da toprağa dik olarak gömülmüş bir TSIP sistemi tarif edilmiştir. Yaygın olarak su–hava, ısı pompaları kullanılır. Toprak içinde gömülü borularda dolaşan, su veya su-antifriz, sıvı-soğutkan serpantini içerisinde dolaşarak geri toprakta gömülü boru demetine döner ve kapalı bir devre oluşturur. Diğer üçüncü tip ise soğutucunun doğrudan toprağın içine konulmuş bakır boru serpantinlerinde dolaştığı direkt genleşmeli sistemdir. TSIP; toprak içerisine yerleştirilecek boruları dikey veya yatay olarak döşenmesine göre iki ana sınıfta incelenirler. Dikey TSIP, iki adet küçük çaptaki polyethylene tüpün, dikey olarak açılan bir kuyuya yerleştirilmesi ile kurulur. Sisteme ve ihtiyaca göre bir veya birkaç kuyu açılarak bu boru çiftleri yerleştirilir. Kuyunun derinliği sondaj koşullarına ve kullanılan ekipmanların teknolojisine bağlı olarak 15m ile 200 m arasında değişir. Yatay TSIP’nın büyük toprak alanına ihtiyacı yoktur, derinlere kadar inildiği için toprak sıcaklığı mevsimlere göre büyük dalgalanma göstermez, daha verimlidir, az pompalama enerjisi gerekir, sonuç olarak en etkin TSIP performansına sahiptir. Ancak ilk yatırım maliyeti fazladır ve ciddi bir mühendislik ön çalışması gerektirir. Yatay TSIP toprağa gömülen borulara bağlı olarak tek borulu, çoklu borulu ve serpantinli olarak üç gruba ayrılırlar. Tek borulu sistemde borular en az 1.2 m derinlikte dar hendekler halinde yerleştirilmektedir. Yer tasarrufu açısından çoklu borular 2 veya 4 aynı kanalın içine gömülür. Diğer üçüncü tip ise serpantin tipi yatay ısı pompalarıdır. Yatay ısı pompaları içinde en az alan gereken sistemdir. Yatay ve düşey olarak toprağa yerleştirilen borular seri veya paralel olarak bağlanırlar. Genelde 1.5 ila, iki metre derinliğe yerleştirilen yatay tip ısı değiştirgeçlerinin içinde bulunduğu toprak sıcaklığı tüm yıl boyunca dış hava sıcaklığı ile kıyaslanmayacak şekilde az değişim gösterir. Dış hava sıcaklığı Şekil 7 görüldüğü gibi yıllık ortalama sıcaklığa göre ± 10ºC ler mertebesinde salınım gösterir Şekil 7 de Ankara için yıl boyunca hava sıcaklığının değişimi gösterilmiştir.

2,7 3,2

9

12,2

16,4

19,57

24 24,5

17,98

13,98

6,554,86

0

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

AY

Hav

a Sı

caklığı (

ºC)

Şekil 7. Ankara Ortalama Sıcaklık Değerleri

____________________________________ 10 _______ VI. ULUSAL TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ VE SERGİSİ

Şekil 8 de ise toprak sıcaklığının bir yıl boyunca muhtelif derinliklere bağlı olarak değişimi gösterilmiştir. Toprak derinliği arttıkça salınım azalmaktadır. Bu nedenle dış hava sıcaklığının kış ve yaz aylarında büyük değişim gösterdiği yerlerde TSIP büyük avantaja sahiptir; Daha önce belirttiğimiz gibi iç konfor sıcaklığı ile ısı alış verişi yapılan yer arasındaki sıcaklık farkı arttıkça ısı pompası verimi düşmektedir.

Şekil 8. Toprak Sıcaklığının Derinliğe Bağlı Değişimi 4. ENERJİ TÜKETİMİNİN HESABI Enerji tasarrufu yapmak amacı ile dizayn edilmiş olan yer(toprak) kaynaklı ısı pompasının enerji tüketimini bir yıl boyunca hesaplamaya çalışalım. Enerji hesabı için bilinen üç metot öne çıkmaktadır.

1- Derece gün metodu 2- “Bin” metodu 3- Saat – saat metodu

Derece gün metodu basittir ama çok güvenilir sonuçlar vermez. Dış hava sıcaklığına bağlı verimin değiştiği sistemlerde güvenilir sonuçlar alınamaz.

“Bin” metodu kısmen basittir, dış hava etkisini ve kısmi yükü dikkate alır ve sistem kurmak ve fizibilite yapmak için gerekli verileri sağlayabilir. Saat-saat metodu genellikle büyük ticari binalarda çok detaylı bilgi gerektiğinde kullanılır.


“Bin” metodun belirli sıcaklıkların oluştuğu zamanları tüm yıl boyunca toplanması esasına dayanır. Her sıcaklık dilimi 3 veya daha fazla sıcaklıktan oluşabilir. Bu çalışmada 3 er ºC lik 18 adet “Bin” aralığı oluşturulmuştur. “Bin” metot ile hesap yapılabilmesi için, örnek alınacak konutun ısıtma ve soğutma ihtiyaçlarının öncelikle hesaplanması gerekmektedir. Ankara şartlarında işyeri olarak kullanılan küçük bir villanın yıl boyunca ısı kaybı ve ısı kazancı hesaplanarak Şekil 9 'daki ısıtma ve soğutma yük profili çıkarılmıştır. Binalara göre değişik açılarda birer farklı doğrular oluştururlar. Şekil 9 da görüldüğü gibi “Bin” sıcaklığı olan 18ºC (OC noktası)’nin altında soğutmaya, “Bin” sıcaklığı olan 15ºC(OH noktası)’nin üzerinde ısıtmaya ihtiyaç duyulmamaktadır. Isıtma yükü pik değerine kış aylarında da ve iç ısı kazanımının olmadığı geceleri sabaha karşı oluşmaktadır (dH noktası). Soğutmada ise yaz aylarında iç ısı kazanımının pik olduğu ve dış hava sıcaklığının maksimum olduğu günde oluşmaktadır (dC noktası).

Şekil 9. Ankara Şartlarında Bir Villanın Isıtma – Soğutma Yük Profili Tablo 1 de Ankara Meterolijiden alınan bilgiler doğrultusunda 3 adet 8 saatlik periyotlar halinde yıllık “Bin” saatleri özetlenmiştir. Birinci sütun “Bin” sıcaklık değerlerini, sutun 2, 3 ve 4 ise bu sıcaklıkların üç 8 saatlik zaman diliminde kaç defa yaşandığını göstermektedir. Şimdi bu bahsi geçen konutun sabah 8:00 ile akşam 18 :00 arasında hizmet verdiğini ve diğer saatlerde ve hafta sonu pazar günü kapalı olduğunu varsayalım. Bu durumda

Birinci zaman dilimi, ‘a’ gece 1:00 da başlamakta ve sabah sabah 8:00 da sona ermektedir. İkinci zaman dilimi, ‘b’ 8:00 da başlamakta ve 16:00 da sona ermektedir. Üçüncü zaman dilimi, ‘c’ 16:00 başlamakta ve gece 24:00 da sona ermektedir.

“a” zaman diliminde bu binada kimse bulunmuyor o halde doluluk katsayısı= 0/56=0 (8x7=56 her bölümdeki saat ). Boş olma katsayısı=1-0=1 dir. “‘b” zaman diliminde 8 saat bina doludur, 6 gün için dolu saat 8x6=48, bu durumda doluluk katsayısı 48/56=0.857 ve boşluk katsayısı 1-.857= 0.143 . ‘c’ zaman diliminde her gün 2 saat dolu olma durumu vardır 2x6=12 bu durumda doluluk katsayısı 12/56=0.214 ve boşluk katsayısı 1-0.214=0.786


Tablo 1. Ankara’da Dış Hava Sıcaklığına Bağlı Yıllık “Bin” Saatleri

(1) “Bin” (2) 1-8 a (3) 9-16 b (4) 17-24 c (5) Dolu (6) Boş

-12 7 0 0 0 7 -9 16 0 0 0 16 -6 20 0 1 0,214 20,786 -3 177 27 41 31,913 213,0870 388 154 247 184,836 604,1643 359 215 287 245,673 615,3276 392 274 349 309,504 705,4969 289 273 327 303,939 585,06112 316 330 275 341,66 579,34 15 355 264 284 287,024 615,97618 290 246 341 283,796 593,20421 231 282 283 302,236 493,76424 68 323 233 326,673 297,32727 12 253 149 248,707 165,29330 0 190 68 177,382 80,618 33 0 61 26 57,841 29,159 36 0 22 8 20,566 9,434 39 0 6 1 5,356 1,644

Bu katsayılar birinci, ikinci ve üçüncü zaman dilimleri ile çarpılarak 5 ve 6. sütun’ lar doldurulur. Sütun a,b,c deki saatleri topladığımızda bir yıl içindeki toplam 8760 saate erişiriz. Daha sonra esas çalışmayı belirleyecek olan Tablo 2 oluşturulur. Birinci sütun’a 3 ºC farkla “Bin” sıcaklıklarını yerleştirelim toplam 18 sıcaklık dilimi. 2. Sütuna bu sıcaklıkların oluştuğu yıllık toplam saatleri yerleştirelim (Ankara için). 3. sütuna şekil 9’dan yararlanarak binanın ısıtma ve soğutma yüklerini koyalım.. Sutun 4’e su giriş sıcaklıkları (EWT) yerleştirilmiştir bu sıcaklıklar ile ilgili bilgiler 4.1 ‘ de verilmiştir. Daha sonra sütun 5’e, şekil 11 den alınan cihaz kapasitelerini, su giriş sıcaklığına (EWT) bağlı olarak yerleştirelim. Sütun 3’ü, sütun 5’e bölerek teorik çalışma faktorünü sütun 6 ya yazalım. Bilindiği gibi teorik çalışma ile cihazın gerçek çalışması farklıdır ve gerçek çalışma teorikten bir miktar daha fazladır. Bu değer kısmi yük çalışma faktörü olarak isimlendirilir (partial load factor). Binanın ısıtma veya soğutma yükü cihaz kapasitesinin üzerine çıkarsa, ısı pompası tam kapasite çalışacağı için bu faktor 1 olacaktır. Kısmi Yük Faktörü : PLF=1-CD(1-binanın ısı yükü/Cihaz kapasitesi) Burada CD azaltma faktörüdür genellikle cihaz üreticisi firmaların deneyimlerine dayanarak 0.25 alınır. Bu faktör cihazın hangi sıklıkla çalış/dur yaptığına bağlı olduğunda farklı fabrika üretiminde değişiklik gösterir. Bu çalışmada 0.25 alınarak çıkan sonuçlar kısmi yük olarak sütun 7 de özetlenmiştir. Şimdi sütun 6 daki teorik çalışmayı sütun 7 deki bu değerlere bölerek sütun 8 de özetlenen gerçek çalışma faktörleri bulunur. Yine şekil 11’i kullanarak ısı pompalarının çekmiş olduğu elektrik miktarları sütun 9 a yerleştirilmiştir. Sütun 2 deki “Bin” saatleri, 8.sütundaki gerçek çalışma faktörü ve 9. sütundaki cihaz elektrik giderleri ile çarpılarak gerçek toplam elektrik tüketimleri bulunur. Bu çarpımlar Tablo 2 de gösterilmemiştir. Bu tabloda 2. sütunda bulunan yıllık bin saatlerinin yerine, Tablo 1 de binanın dolu olması durumu için bulunan bin saatlerini yerleştirerek sadece dolu olması hali için enerji gideri hesaplanabilir. Benzer çalışma bir aylık “bin” saatleri kullanılarak her hangi bir ay için yapılabilir. Sütun 10 da ise toprağa verilen ve alınan enerji özetlenmiştir. Isıtmada topraktan çekilen enerji cihaz kapasitesinden cihazın çektiği gücün çıkartılıp gerçek çalışma faktörü ile çarpılması ile bulunur. Soğutmada ise elektrik girdisi kadar fazladan enerji toprağa atılacaktır.


Şekil 11 de 18 adet “Bin” sıcaklığı aralığında ısı pompası ile toprağa atılan ve alınan enerji grafik olarak gösterilmiştir. Görüldüğü gibi toprağa atılması gereken enerji topraktan alınması gereken enerjiden çok fazladır. Bazı tasarımlarda, bu nedenle sisteme küçük bir soğutma kulesi ilave edilir. Ayrıca ısı pompasına suyun +1 ºC (EWT+1ºC) yüksek girmesi sonucu cihazdan atılan ve emilen enerji yine tablo 2’deki gibi bilgisayar ile hesaplanarak aynı grafikte gösterilmiştir. Sonuç olarak +1 ºC’ lik su sıcaklığı farkı ısı pompasından alınan ve atılan enerjide çok büyük fark oluşturmamıştır, bu da dizayn yapanlar için önemli bir sonuçtur. Tablo 2. “Bin” Metodu ile Toprak Kaynaklı Isı Pompası Enerji Hesabı

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

°C “Bin” Saatler'i

Bina Isıtma

Soğutma Yükleri

Su Giriş

SıcaklığıCihaz

KapasitesiTeorik

Çalışma Faktörü

Kısmi Yük

Faktörü

Gerçek Çalışma Faktörü

Cihaz Güç

Girişi

Toprak Çekilen/

atılan enerji

Isıtma -12 7 21,92 14,07 22,38 0,98 0,99 0,98 5,60 16,44

-9 16 19,49 14,77 22,58 0,86 0,97 0,89 5,62 15,09-6 21 17,06 15,46 22,77 0,75 0,94 0,80 5,64 13,70-3 245 14,63 16,14 22,97 0,64 0,91 0,70 5,66 12,130 789 12,20 16,81 23,16 0,53 0,88 0,60 5,68 10,483 861 9,77 17,47 23,34 0,42 0,85 0,49 5,70 8,646 1015 7,34 18,12 23,53 0,31 0,83 0,38 5,72 6,719 889 4,91 18,75 23,71 0,21 0,80 0,26 5,74 4,64

12 921 2,48 19,38 23,88 0,10 0,78 0,13 5,76 2,3515 903 0,00 20,00 24,06 0,00 0,75 0,00 5,78 0,00

Soğutma 18 877 0,00 21,99 19,55 0,00 0,75 0,00 4,12 0,0021 796 4,61 23,48 19,38 0,24 0,81 0,29 4,17 6,8224 624 9,26 24,97 19,21 0,48 0,87 0,55 4,22 12,8827 414 13,91 26,45 19,04 0,73 0,93 0,78 4,27 18,1830 258 18,56 27,92 18,88 0,98 1,00 0,99 4,32 22,9033 87 23,21 29,38 18,71 1,00 1,00 1,00 4,36 23,0736 30 27,86 30,83 18,55 1,00 1,00 1,00 4,41 22,9539 7 32,51 32,27 18,38 1,00 1,00 1,00 4,45 22,83


Şekil 10. Toprak Enerjisinin “Bin” Aralığında Topraktan Emilmesi ve Toprağa Verilmesi 4.1. Isı Pompası performansı: Toprak serpantinli ısı pompalarının performansları büyük oranda aldıkları ve attıkları ısıya bağlıdır. Zor olan toprağa gömülü olan serpantin ile toprak arasındaki ısı alışverişini hesaplamaktır. Her zaman toprağın özellikleri, toprağın nem değeri ve toprak altı su hareketleri kolay saptanamaz. Bu nedenle çoğu sağlıklı dizayn deneyimlere ve örnek çalışmalara dayanır. Lokal küçük konut ve muhtelif mekanlar için deneysel sonuçlar bulunabilir, ancak ticari boyutlu büyük sistemler için veriler yok denecek kadar azdır. Tablo 2 de toprak kaynaklı ısı pompası ile ilgili gerekli bilgiler verilmiştir. Bin metoduna göre enerji hesabını tamamlayabilmek için ısı pompası su giriş sıcaklığı ile dış hava arasındaki bağıntıyı kurmak gerekir. Su giriş sıcaklığı, birçok faktöre bağlıdır; yılın hangi zaman aralığı için hesap yapıldığına, toprak özelliklerine, toprak serpantininin boyutlarına v.s. Belirli bir zaman dilimi için su giriş sıcaklığını hesaplamak kolay değildir. Ancak doğru ve çalışır bir dizayn için mühendisin vermiş olduğu alt ve üst su sıcaklık değerleri tüm yıl boyunca aşılmamalıdır. Ortalama bir toprak derinliği alınarak ve toprak malzemesinin yayınımı (difizivitesi), toprak yoğunluğu gibi benzeri verileri kullanarak bulmuş olduğumuz su giriş sıcaklıkları, Tablo 2 sütun 4’ e özetlenmiştir. Yalnız dış hav sıcaklığına bağlı olarak aşağıda verilen formül ile giriş suyu sıcaklığı yaklaşık hesaplanabilir. Su, en düşük su sıcaklık değerlerine (EWTMIN) kışın, en yüksek sıcaklık değerlerine (EWTMAX) da yazın ulaşacaktır. Bu hesaplamalarda en düşük giriş suyu sıcaklığı (EWTMIN), genelde en soğuk gün sıcaklığından ilk yaklaşımda 25 ºC büyük alınır, en az 15ºC fark olmalıdır. Yine en yüksek giriş suyu sıcaklığı (EWT MAX), en sıcak gün (TAMAX) ‘ dan 5-10ºC düşük alınarak ilk yaklaşım yapılır.


Kış (ısıtma)

EWTH = EWTMIN + [ ]MINMINMEAN

MINMEAN TATATATAEWTEWT

−

−−

Yaz (Soğutma)

EWTC = EWTMEAN + [ ] [ ]TAmeanTATAmeanTAEWTmeanEWT −∗

−−

maxmax

Bahsi geçen örnek için Ankara şartlarında;

Su giriş sıcaklıkları:

WTMAX = 32°C

EWTMEAN = 20°C

EWTMIN = 14°C

Dış hava sıcaklıkları:

TAMAX = 39°C

TAMEAN = 17°C

TAMIN = -12°C

EWTMEAN Ortalama su giriş sıcaklığı TAMEAN Ortalama dış hava sıcaklığı

EWTMIN Minimum su giriş sıcaklığı TAMIN Minumum dış hava sıcaklığı

EWTMAX Maximum su giriş sıcaklığı TAMAX Maximum dış hava sıcaklığı

EWTH or EWTC Isıtma / soğutma su giriş sıcaklığı


Şekil 11. Isı Pompası Performansı Şekil 11 de, üretici firma katalog değerlerine dayanarak bahsi geçen örnek için seçilen cihazın performansı görülmektedir. Bu hazırlanan şema yardımıyla istenilen su giriş sıcaklığı için cihaz kapasitesi ve cihaz elektrik tüketimi bulunabilir. SONUÇ Yer (Toprak) kaynaklı ısı pompalarının (TKIP), ülkemizde yaygın olarak kullanılması enerji tasarrufu açısından önemli olacaktır. Ülkemizde Yer Kaynaklı Isı Pompası kullanımı parmak ile sayılacak kadar azdır. Bunun bence nedeni, dizayn edilme zorluğu değil, bu sistemlerin yeterince bilinmiyor olmasıdır. Yüzey Suyu Isı Pompaları (YSIP) ve Yer altı Suyu Isı Pompalarının (YASIP) hesap ve ön fizibiliteleri, Toprak Serpantinli Isı Pompasına (TSIP) göre daha kolaydır. Bu ilk iki sistemin de yaygın olarak kullanılmaması sistemin yeterince proje büroları ve ilgili mühendislerce bilinmediğini veya yatırımcıyı ikna etmek için yeterli birikim ve tecrübenin oluşmadığını gösterir. Gerek ısı pompası satan firmaların gerekse konuya ilgi duyan mühendislerin sürekli bu konuyu gündemde tutmalarının gereğine inanıyorum.


KAYNAKLAR

1. Doğan Veli “Isı Geri kazanım ve Sudan Suya Isı Pompası Uygulaması” IV. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi 1999 – İZMİR

2. Hepbaşlı Arif “Geleceğin Teknolojisi : Yer Kaynaklı Isı Pompaları” IV. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi 1999 – İZMİR

3. Hepbaşlı Arif, Hancıoğlu Ebru “Toprak Kaynaklı (Jeotermal) Isı Pompalarının, Tasarımı, Testi ve Fizibilitesi” V. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi 2001-İZMİR

4. Güngör Ali, Kurtuluş Esra, Akdemir Özay “Endüstriyel Proseslerde Enerji Geri Kazanımında Isı Pompalarının Kullanımı” V. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi 2001– İZMİR

5. “National Rural Electric Cooperative Assocıatıon, Oklahoma State Universıty International Ground Source Heat Pump Asscıatıon” Closed – Loop / Ground – Source Heat Pump Systems Installatıon Guide

6. Eley Associates – San Francisco,California “ Water Loop heat Pump Systems” 7. Genlik Can, İlken Zafer “ Yer Kaynaklı Isı Pompaları” Termodinamik Dergisi Kasım – 2000 8. Hepbaşlı Arif “ Türkiye Binalarında Toprak Kaynaklı (Jeotermal ) Isı Pompası Uygulamaları,

Enerji Verimliliği Değerlendirmesi” Türk Tesisat Mühendisleri Dergisi Eylül – Ekim 2002 9. Korun Bedi, “Su Kaynaklı Isı Pompası Sistemlerine İlişkin Genel İnceleme” II. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi 1995 – İZMİR 10. American Society of Heating, Refrigerating and Air - Conditioning Engineers, Inc. “Ground

Source Heat Pump” 1997 – ATLANTA 11. American Society of Heating, Refrigerating and Air – Conditioning Engineer, Inc.

“Comerical Ground Source Heat Pump Systems ” 1995 – ATLANTA 12. American Society of Heating, Refrigerating and Air – Conditioning Engineer, Inc.

“Ground Source Heat Pump Engineering Manual” 1995 – ATLANTA 12. ASHRAE Handbook 1993 Fundamentals Chapter 28 “ Energy Estımatıng methods” 13. Climate Master Water Source Heat Pump Catalouge

ÖZGEÇMİŞ Veli DOĞAN 1958 Malatya doğumludur. 1980 yılında Ege Üniversitesi Makina Fakultesini Makina Mühendisi olarak bitirmiştir. 1982 yılında İTÜ Makina Fakültesinde Enerji dalında mastır yapmıştır. 1986 yılına kadar yurt içi ve yurt dışında özel sektörde çalışmıştır. 1986 yılında Vemeks Mühendislik Ltd. Şti’ni kurmuştur. 9 Temmuz 2001 yılında doktora çalışmasını tamamlamıştır. Halen Yurt içinde ve Yurt dışında HVAC konusunda proje ve taahhüt yapan Vemeks Mühendislik Ltd. Şti’nin yöneticisi olarak çalışmalarına devam etmektedir.

su - toprak kaynakli isi pompalari -...

Documents